摘　要：探索了GCr15鋼Ac1f透燒球化退火工藝，通過(guò)在奧氏體化時(shí)適當(dāng)降低溫度、延長(zhǎng)保溫時(shí)間，消除了試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的不均勻組織，獲得了均勻細(xì)小彌散分布的球化組織。文章認(rèn)為透燒時(shí)間應(yīng)當(dāng)根據(jù)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)條件來(lái)決定，透燒加熱不利于等溫過(guò)程消除成分不均勻。

　　關(guān)鍵詞：GCr15鋼；球化；不均勻組織；奧氏體化

　　GCr15是一種傳統(tǒng)的鉻軸承鋼，主要用于制造各種軸承的滾珠、滾柱和套圈等，被廣泛應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)高負(fù)荷的機(jī)械零部件，因此要求其必須具有高的強(qiáng)度、高的彈性極限和高的耐磨性。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐證明，只有當(dāng)軸承零件的原始組織為細(xì)球狀珠光體時(shí)，經(jīng)過(guò)淬火加低溫回火后，才能獲得隱晶回火馬氏體及在其上分布著細(xì)小碳化物顆粒的組織，這種金相組織才使得軸承零件具有高強(qiáng)度和韌性。傳統(tǒng)的球化方案工藝周期長(zhǎng)、耗能多、效率低，球化質(zhì)量也不穩(wěn)定，直接影響到工件的淬火開(kāi)裂傾向。筆者對(duì)Ac1f透燒球化退火工藝[1]研究發(fā)現(xiàn)，球化組織極其不均勻，存在黑色塊狀組織(圖1)。顯然，這種組織與我們希望獲得的均勻細(xì)小彌散分布的球狀珠光體相違背。

　　1　試驗(yàn)用材和檢測(cè)設(shè)備

　　試驗(yàn)用材為市售退火態(tài)GCr15鋼棒材(<75mm)。用線切割機(jī)截得尺寸為20mm×12mm×12mm的試樣，對(duì)其進(jìn)行等溫球化處理。加熱設(shè)備為SX2-15-13型箱式電阻爐，用可控硅控溫(型號(hào)KSL-250-W)。用JXA2840型電子顯微鏡觀察金相顯微組織，在洛氏硬度實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)定HRB值。

　　2　快速球化的初始方案及結(jié)果

　　資料上給出的Ac1有的是一個(gè)溫度值，有的是一個(gè)溫度范圍，而且有一定的分散度，表1列出的只是具有代表性的數(shù)據(jù)(不是全部)。可見(jiàn)影響加熱臨界點(diǎn)諸因素中主要是原始組織和加熱速度。

　　由于沒(méi)有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)，筆者采取正交設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)方案，測(cè)定Z佳的球化溫度作為Ac1f點(diǎn)。取4個(gè)因素(奧氏體化溫度，雙相區(qū)冷速，等溫時(shí)間和Z終冷速)，每個(gè)因素取3個(gè)水平(如表2)，選用L9(34)來(lái)安排試驗(yàn)方案。工藝設(shè)定奧氏體化的保溫時(shí)間均為5min，等溫球化的等溫溫度均為720℃。

　　通過(guò)組織觀察和硬度分析，發(fā)現(xiàn)除“A3B2C1D3”方案組織中出現(xiàn)片狀珠光體，硬度偏高(達(dá)94HRB)外；另外8個(gè)方案的組織均為球狀珠光體，并且均有黑塊組織(圖1a)存在，它們的硬度均為87HRB左右。從圖1(a)中的黑塊區(qū)和亮區(qū)的高倍組織(圖1b、c)中碳化物的數(shù)量和分布可以看出，黑區(qū)內(nèi)碳和合金含量偏低，而亮區(qū)的偏高。這種區(qū)域組織的嚴(yán)重不均勻，將在隨后淬火中出現(xiàn)微區(qū)淬火軟點(diǎn)，在工作時(shí)成為裂紋起源地，導(dǎo)致部件的早期失效。

　　3　快速球化工藝的改進(jìn)及結(jié)果

　　試驗(yàn)中，采取適當(dāng)降低奧氏體化溫度、延長(zhǎng)其保溫時(shí)間的方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。為此，采用圖2所示的球化退火工藝。

　　球化退火后的組織(圖3所示)均勻細(xì)小，改善了組織的上述不均勻缺陷。按JB1255291級(jí)別圖進(jìn)行評(píng)定，其組織級(jí)別為2～3級(jí)。該退火組織的硬度為85.3HRB，適宜切削加工。

　　4　工藝分析

　　4.1　初始工藝的分析

　　文獻(xiàn)[5]指出：“加快高碳鋼球化退火應(yīng)同時(shí)考慮兩個(gè)方面，既要在加熱奧氏體化時(shí)在晶內(nèi)保留更多的剩余碳化物顆粒，還要獲得碳濃度不均勻性Z大的奧氏體，使α在遠(yuǎn)離碳化物的γ深處單獨(dú)形核，并各自獨(dú)立呈球狀長(zhǎng)大”，“Ac1f溫度的透燒加熱奧氏體化既可保留更多的剩余碳化物顆粒，同時(shí)又獲得具有Z大不均勻性的奧氏體”。由于事先不清楚材料的Ac1f具體是多少，在初始方案中假定它是800℃、820℃以及840℃，并在這個(gè)溫度透燒。另外，根據(jù)文獻(xiàn)[6]對(duì)工件透燒時(shí)間的解釋，對(duì)于本試驗(yàn)中的試樣，完全可以采用到溫即透燒。然而文獻(xiàn)[2]同時(shí)指出：“加熱到2點(diǎn)(Ac1f線上)時(shí)鐵素體(α)消失”，也就是說(shuō)在這個(gè)溫度下馬上淬火得到馬氏體和碳化物的混合物，組織的硬度應(yīng)該在60HRC左右。實(shí)際情況是即使加熱到860℃，到溫后馬上淬火的硬度也僅僅42.3HRC。顯然，這里的到溫加熱沒(méi)能夠使工件透燒，透燒并不僅僅是受理論意義上的厚件、薄件以及傳熱系數(shù)的影響，更與實(shí)際的生產(chǎn)狀況有關(guān)。因此，本實(shí)驗(yàn)中選擇奧氏體化保溫時(shí)間為5min。

　　文獻(xiàn)[7]對(duì)保溫溫度進(jìn)行了討論，認(rèn)為冷卻速度會(huì)影響奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度范圍，冷速越慢，轉(zhuǎn)變溫度越高，而在周期球化退火工藝中，工件從770℃進(jìn)入到720℃后，冷速不會(huì)很快，因此在720℃等溫是合理的。本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有采用強(qiáng)制冷卻措施，也選擇720℃等溫。同時(shí)，為了考察冷卻速度對(duì)球化效果的影響，分別在雙相區(qū)和球化終了控制冷卻速度。

　　4.2　改進(jìn)工藝的分析

　　針對(duì)上述試驗(yàn)方案，可以看出它們涉及到的幾個(gè)因素中僅僅奧氏體化保溫時(shí)間以及等溫溫度是一個(gè)常量，其他因素均是變量。從圖1(b)、(c)可以清楚地看出，不論是黑塊區(qū)還是亮區(qū)，其碳化物均球化良好，形態(tài)比較圓整。區(qū)別僅僅在于黑區(qū)碳化物數(shù)目較少，體積分?jǐn)?shù)較小。從而，可以得出720℃保溫并不是黑塊產(chǎn)生的關(guān)鍵，奧氏體化保溫時(shí)間才是導(dǎo)致黑塊產(chǎn)生的根本因素。從硬度來(lái)分析，800℃保溫5min直接淬油可以得到55HRC的硬度，也就是說(shuō)可以稱得上透燒。

　　同時(shí)從組織來(lái)看，黑塊區(qū)是貧碳區(qū)這是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。即使是等溫3h也沒(méi)能夠消除這種組織上的不均勻，這種不均勻的加劇正是產(chǎn)生在奧氏體化這個(gè)階段。

　　 一方面，原材料本身存在微區(qū)成分的不均勻；而Ac1f透燒加熱直接導(dǎo)致“碳濃度不均勻性Z大的奧氏體”，造成貧碳區(qū)更貧碳，富碳區(qū)碳含量更高。這是因?yàn)椋牧媳旧泶嬖谖^(qū)不均勻，Ac1f透燒加熱使得剩余的碳化物出現(xiàn)富碳區(qū)數(shù)量多貧碳區(qū)少，碳化物的溶解量卻是富碳區(qū)少貧碳區(qū)多，在隨后的冷卻和等溫球化過(guò)程中，奧氏體中的碳優(yōu)先在剩余點(diǎn)狀碳化物上析出并長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致析出碳的分配是富碳區(qū)多貧碳區(qū)少，并Z終形成一種局部平衡。這種局部平衡一旦形成，就很難在隨后的等溫過(guò)程消除。這就造成了碳化物已經(jīng)球化，而材料局部成分卻存在不均勻，導(dǎo)致黑塊的產(chǎn)生。

　　由前期試驗(yàn)結(jié)果分析，該鋼材在試驗(yàn)中的Ac1f點(diǎn)以800℃為宜。在新工藝中為了緩解奧氏體內(nèi)碳濃度的不均勻，適當(dāng)延長(zhǎng)奧氏體化保溫時(shí)間到10min。這在一定程度上必然使得剩余碳化物減少。而適當(dāng)降低奧氏體化溫度到790℃不僅僅是出于節(jié)能的考慮，還是為了緩解剩余碳化物的減少。兩個(gè)階段的冷卻均采用爐冷，可以縮短球化周期，但球化終了的冷卻以不至于給工件產(chǎn)生熱應(yīng)力為宜。

　　從試樣組織和硬度分析來(lái)看，新工藝能夠?qū)崿F(xiàn)GCr15鋼的快速球化退火。與傳統(tǒng)工藝17h的球化周期相比，新工藝整個(gè)球化周期僅僅需要110min～150min，大大縮短了傳統(tǒng)等溫球化工藝的生產(chǎn)周期，節(jié)省了能源的消耗。

　　5　結(jié)論

　　 (1)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件確定透燒時(shí)間是Ac1f溫度快速球化退火成功實(shí)施的關(guān)鍵因素之一。

　　(2)Ac1f透燒加熱有助于球化的快速完成，同時(shí)其獲得的具有Z大不均勻性的奧氏體增加了隨后等溫過(guò)程組織均勻化的難度。

　　(3)適當(dāng)?shù)亟档蛫W氏體化溫度、延長(zhǎng)保溫時(shí)間，有助于緩解透燒加熱產(chǎn)生的成分不均勻，同時(shí)又保留足夠多的剩余碳化物顆粒。